35kV箱变高压熔断器慢熔故障分析及解决思路

协鑫新能源控股有限公司 胡海松 华电电力科学研究院有限公司 刘惠娟

某大型新能源光伏企业（以下简称某公司）35kV箱变2020年多次出现高压熔断器慢熔故障，导致箱变烧毁、集电线路被迫退出运行的事故，给企业造成了巨大的电量和经济损失。本文对该企业某型号35kV箱变高压熔断器慢熔故障从设计、安装、运行方面进行了分析，发现选型不合理是高压熔断器慢熔故障的主要原因。从设计、安装和运维的角度，提出了预防35kV箱变高压熔断器慢熔的措施。

1 箱变故障诊断

1.1 故障概况

2020年4～6月对6188台同一型号箱变进行统计，其中33台35kV箱变高压熔断器发生慢熔故障，占同期箱变故障的97%，故障造成其中15台箱变烧毁，13台箱变绝缘油劣化，5台箱变高压熔断器绝缘底座烧毁。某电站35kV箱变爆炸造成集电线路停电33次，累计损失电量442.4万kWh，直接和间接经济损失巨大。事故也严重影响到电站电气设备的安全稳定运行，同时对电网的安全稳定运行造成了冲击，造成极其不好的社会影响。

该型号35kV箱变及配置的高压熔断器铭牌参数如下：型号ZGS11-Z.G-1600/38.5，额定容量1600kVA，高压侧额定电压38.5kV，高压侧额定电流23.99A，低压侧额定电压500V，低压侧额定电流1847.5A，额定频率50Hz，相数三相，连接组别Yd11，冷却方式ONAN，短路阻抗6.31%，绝缘水平LI200AC85/AC5kV，总质量6170kG，油质量1200kG，高压熔断器型号XRNT3A-40.5/40A/S-31.5kA，额定电流40A，开断电流31.5kA。

1.2 现场检查情况

通过现场检查、试验及调取故障时录波数据，以及箱变厂家解体检查情况发现故障点均为高压熔断器绝缘套管击穿造成箱变短路故障，综合分析判断为高压熔断器发热慢熔引起套管绝缘降低导致绝缘套管击穿，从而引发箱变短路故障。经查该型高压熔断器是设计院按《工业与民用供配电设计手册第四版》选型的[1]，为某厂生产XRNT3A-40.5/40A/S-31.5kA高压插入式全范围保护熔断器（图1）。

图1 某35 kV箱变烧损高压熔断器

2 高压熔断器的工作原理及故障原因分析

2.1 高压熔断器的工作原理及特性

箱变高压熔断器的作用是：当箱变出现过电流或短路时，熔件熔断后自动切断电路，从而保护变压器不受损。由于现场的运行环境比较恶劣，使熔丝在重力和热积累的作用下出现老化，可能导致在正常的工作电流下发生断裂，由于熔断器是在正常的工作电流下熔断的，熔丝的熔断时间较长，在熔丝阻值逐渐变大的过程中造成该相电压的幅值下降，从而引起相关保护的误动作。

高压熔断器一般由金属熔件、外壳及触头构成（图2）。从熔断器的设计原理看，电路发生过负荷和短路、有大的故障电流经过熔丝时，由于金属效应（难熔金属在某种合金状态下会成为易熔材料），熔丝将首先在焊有锡球的地方熔断，随之在电弧的作用下使熔丝沿全长迅速熔化，所产生的电弧在石英砂的作用下迅速熄灭。熔丝在被保护设备未被损坏之前被加热熔断，达到断开电路保护设备的目的。

图2 熔断器结构图

熔断器的熔断特性通常用其保护特性来表示，其保护特性为t=f⑴，曲线如图3所示，图中横坐标I表示流过熔断器的电流大小；纵坐标t表示熔断器熔断所需要的时间；Ir为熔断器工作的额定电流；θ2为熔断器稳定持续工作状态下的温度[2]。

图3 熔断器保护特性曲线

2.2 故障原因分析

高压熔断器一次插头因材质不同出现氧化层经常接触不好、连接螺栓松动，给熔断器带来额外的温升；高压熔断器所处环境温度较高，熔丝是用熔点较低的金属材料制成的金属丝，由于熔丝极细，即便是受到外力的振动也可能断裂；高压熔断器在运行过程中因质量不好容易出现劣化甚至熔断；进线开关的突然合闸、断续弧光接地等引起铁磁谐振过电压可引起高压熔断器熔断。

正常工作时，若流过熔件的电流小于其额定电流熔断器不会熔断。当熔件流过的电流大于其额定电流时，熔断器熔断需要的时间与其过电流倍数有密切关系。过电流倍数越大熔断器熔断所需要的时间就越短，当过电流倍数非常大时熔断器就会瞬间熔断。但由于现场的运行环境比较恶劣，使熔丝在重力和热积累的作用下出现老化，可能导致在正常的工作电流下发生断裂，由于熔断器是在正常的工作电流下熔断的，熔丝的熔断时间比较长，在熔丝阻值逐渐变大的过程中造成该相电压的幅值下降，从而引起相关保护的误动作。

熔断器的保护特性与熔断器稳定持续工作状态下的温度有很大关系。当熔断器稳定工作状态下的温度升高时，熔断器的保护特性曲线就会左移，熔断器更容易熔断，甚至在流过熔断器的电流小于其额定电流时也会造成非选择性熔断；当熔断器的熔件局部截面面积变小时，流过同样的电流时熔断器熔断所需要的时间就会变短，即熔断器的保护特性曲线会左移。

3 箱变故障处理及防范措施

某公司对该型箱变进行一次全面排查，发现超装的统一将原RNT3A-40.5/40A/S-31.5kA高压熔断器更换成XRNT3A-40.5/50A/S-31.5kA高压熔断器。高压熔断器更换前后对比图见图4，安装完后运行情况良好。通过对高压熔断器现场故障检查，并结合历年运行情况，针对可能造成高压熔断器慢融的原因考虑从设计选型、安装运维阶段提出以下防范措施。

图4 高压熔断器更换前后照片

3.1 设计选型

设计时高压熔断器选型要充分考虑超装情况（光伏行业）和箱变实际运行工况。根据GBT15166.6-2008《用于变压器回路的高压熔断器的熔断件选用导则》和《工业与民用供配电设计手册 第四版》，以额定容量1600kVA、额定电压38.5kV该型箱变为例，高压熔断器额定电流选取方案如下：

Ie=Se/Ue/√3=1600kVA/38.5kV/1.732=23.9 9A，Ir=D×Ie=1.7×23.99A=40.79A（D为高压熔断器额定电流系数1.7～1.8，此例选1.7）。后来经查，33台故障箱变都有1.1～1.2倍的超装负荷（光伏组件）情况，Ir=1.1×D×Ie=1.1×1.7×23.99A=44.8 7A（D为高压熔断器额定电流系数1.7～1.8，此例选1.7）。其中Ie为箱变额定电流，Se为为箱变额定容量，Ue为箱变额定电压，Ir为熔断器额定电流。

由于高压熔断器电功率与发热量成正比，公式为P=I²R，所以I恒定的条件下，R越大电功率越大，发热量也就越大。根据该型高压熔断器参数：XRNT3A-40.5/40A/S-31.5kA，阻值(20℃时)33.6mΩ；XRNT3A-40.5/50A/S-31.5kA，阻值(20℃时)28.1mΩ。40A型高压熔断器的电功率高于50A型高压熔断器，因此40A型高压熔断器的发热量亦高于50A型高压熔断器。

3.2 安装调试及运维管理

安装时要考虑箱变等设备额定容量，严格控制超设计容量安装。避免不必要的容量冗余浪费或是不足的情况发生，影响设备安全稳定运行；运行中加强对后台的监控和设备的巡视，发现油温超标应及时处置，控制油温降低到85℃以下运行[3]。停电时加强对高压熔断器外观检查和阻值测量，高度重视年度预防性试验时高压熔断器阻值的变化，并完善熔断器阻值历次台账记录，做好横向及纵向趋势分析。

4 分析结论

高压熔断器选型不合理是造成33台箱变高压熔断器慢熔故障的主要原因。针对熔断器质量不稳定的原因，要求根据设备检修计划定期测试高压熔断器直阻，出现明显变化时应及时更换，同时接触面必须经去氧化层处理后并适当涂抹导电胶。运行期间加强红外测温、振动监控。

综上，本文通过对某公司35kV箱变高压熔断器慢熔故障展开分析和计算，提出了相应的整改办法和防范措施，对风电、光伏行业35kV箱变的高压熔断器及火电发电机出口PT熔断器慢熔故障有积极预防的作用，对设备安全稳定运行有很好的指导意义。